Лекция №10. Геотермальная энергетика. Использование геотермального тепла для выработки электроэнергии. Тепловой насос.

Содержание лекции: сведения о геофизике, геотермальные ресурсы и технологии освоения,схемыгеотермальногоэлектроснабжения, использование низкопотенциальной теплоты грунтов и пород и тепловой насос.

Цель лекции:показать возможности и способы использования геотермального тепла в системах электроснабжения.

Тепло в виде горячих источников и гейзеров может быть исполь-зовано для производства электроэнергии по различным схемам на гео-термальных электростанциях (ГеоЭС). Наиболее легко выполнимой схемой является схема с применением пара жидкостей, имеющих низ-кую температуру кипения. Горячая вода из природных источников, обогревая такую жидкость в испарителе, обращает ее в пар, используе-мый в турбине и служащей приводом генератора тока.

На рисунке 1 изображен цикл с одним рабочим телом, например с водой или фреоном (а); цикл с двумя рабочими телами – водой и фрео-ном (б); прямой паровой цикл (в) и двухконтурный цикл (г).

Технологии производства электрической энергии в значительной степени зависят от теплового потенциала термальных вод.

Рисунок. 1 - Примеры организации цикла для производства электроэнергии:

I – геотермальный источник; II – турбинный цикл; III – охлаждающая вода

Высокопотенциальные месторождения позволяют использовать практически традиционные конструкции тепловых электростанций с паровыми турбинами.

Таблица 1 -Технические характеристики геотермальных электростанций

На рисунке 2 представлена наиболее простая схема небольшой электростанции (ГеоЭС) использующей тепло горячего подземного ис-точника.

Вода из горячего источника с температурой около 95 °С насосом 2 подается в газоудалитель 3, где происходит отделение растворенных в ней газов.

Далее вода поступает в испаритель 4, в котором происходит ее превращение в насыщенный пар и небольшой перегрев за счет тепла пара (от вспомогательного котла), предварительно отработавшего в эжекторе конденсатора.

Слегка перегретый пар совершает работу в турбине 5, на валу ко-торой находится генератор тока. Отработавший пар конденсируется в конденсаторе 6, охлаждае-мом водой с обычной температурой.

Рисунок 2-. Схема небольшой ГеоЭС:

1 – приемник горячей воды; 2 – насос горячей воды; 3 – газоудалитель;

4 – испаритель; 5 – паровая турбина с генератором тока; 6 – конденсатор; 7 – циркуляционный насос; 8 – приемник охлаждающей воды

Такие простейшие установки функционировали в Африке уже в 50-х годах.

Очевидным вариантом конструкции современной энергоустановки является геотермальная электростанция с низкокипящим рабочим веще-ством, представленная на рисунке 3. Горячая вода из бака-аккумулятора поступает в испаритель 3, где отдает свое тепло какому-либо веществу с низкой температурой кипе-ния. Такими веществами могут быть углекислота, различные фреоны, шестифтористая сера, бутан и др. Конденсатор 6 – смешивающего типа, который охлаждается холодным жидким бутаном, поступающим из поверхностного воздушного охладителя. Часть бутана из конденсатора питательным наосом 9 подается в подогреватель 10, а затем в испаритель 3.

Важной особенностью этой схемы является возможность работы в зимнее время с низкими температурами конденсации. Эта температура может быть близкой к нулю или даже отрицательной, т. к. все перечис-ленные вещества имеют очень низкие температуры замерзания. Это по-зволяет значительно расширить пределы температур, используемых в цикле.

Рисунок 3. Схема геотермальной электростанции с низкокипящим рабочим веществом:

1 – скважина, 2 – бак-аккумулятор, 3 – испаритель, 4 – турбина, 5 – генератор, 6 – конденсатор, 7 – циркуляционный насос, 8 – поверхностный воздушный охладитель, 9 – питательный насос, 10 – подогреватель рабочего вещества

Геотермальнаяэлектростанцияснепосредственнымиспользованием природного пара.

Самая простая и доступная геотермальная энергоустановка пред-ставляет собой паротурбинную установку с противодавлением. Природный пар из скважины подается прямо в турбину с последующим вы-ходом в атмосферу или в устройство, улавливающее ценные химиче-ские вещества. В турбину с противодавлением можно подавать вторич-ный пар или пар, получаемый из сепаратора. По этой схеме электро-станция работает без конденсаторов, и отпадает необходимость в ком-прессоре для удаления из конденсаторов неконденсирующихся газов. Эта установка наиболее простая, капитальные и эксплуатационные за-траты на нее минимальны. Она занимает небольшую площадь, почти не требует вспомогательного оборудования и ее легко приспособить как переносную геотермальную электростанцию (рисунок 4).

Рисунок 4 - Схема геотермальной электростанции с непосредственным ис-пользованием природного пара:

1 – скважина; 2 – турбина; 3 – генератор;

4 – выход в атмосферу или на химический завод

Рассмотренная схема может стать самой выгодной для тех рай-онов, где имеются достаточные запасы природного пара. Рациональная эксплуатация обеспечивает возможность эффективной работы такой ус-тановки даже при переменном дебите скважин.

В Италии работает несколько таких станций. Одна из них – мощ-ностью 4 тыс. кВт при удельном расходе пара около 20 кг/с или 80 т/ч; другая – мощностью 16 тыс. кВт, где установлено четыре турбогенератора мощностью по 4 тыс. кВт. Последняя снабжается паром от 7–8 скважин.

Геотермальная электростанция с конденсационной турбиной и прямым использованием природного пара (рисунок 5) – это наиболее современная схема для получения электрической энергии.

Пар из скважины подается в турбину. Отработанный в турбине, он попадает в смешивающий конденсатор. Смесь охлаждающей воды и конденсата уже отработанного в турбине пара выпускается из конденса-тора в подземный бак, откуда забирается циркуляционными насосами и направляется для охлаждения в градирню. Из градирни охлаждающая вода опять попадает в конденсатор (рисунок 5).

По такой схеме с некоторыми изменениями работают многие гео-термальные электростанции: «Лардерелло-2» (Италия), «Вайракей» (Новая Зеландия) и др.

Областью применения двухконтурных энергоустановок на низко-кипящих рабочих веществах (хладон-R12, водоаммиачная смесь, ) является использование тепла термальных вод с температурой 100…200 °C, а также отсепарированной воды на ме-сторождениях парогидротерм.

Рисунок 5 - Схема геотермальной электростанции с конденсационной турбиной и прямым использованием природного пара:

1 – скважина; 2 – турбина; 3 – генератор; 4 – насос;

5 – конденсатор; 6 – градирня; 7 – компрессор; 8 – сброс

Комбинированное производствоэлектрическойитепловойэнергии

Комбинированное производство электрической и тепловой энер-гии возможно на геотермальных тепловых электрических станциях (ГеоТЭС).

Наиболее простая схема ГеоТЭС вакуумного типа для использо-вания тепла горячей воды с температурой до 100 °С приведена на рисунке 6.

Работа такой электростанции протекает следующим образом. Го-рячая вода из скважины 1 поступает в бак-аккумулятор 2. В баке она ос-вобождается от растворенных в ней газов и направляется в расширитель 3, в котором поддерживается давление 0,3 атм. При этом давлении и при температуре 69 °С небольшая часть воды превращается в пар и на-правляется в вакуумную турбину 5, а оставшаяся вода насосом 4 пере-качивается в систему теплоснабжения. Отработавший в турбине пар сбрасывается в смешивающий конденсатор 7. Для удаления воздуха из конденсатора устанавливается вакуумный насос 10. Смесь охлаждаю-щей воды и конденсата отработавшего пара забирается из конденсатора насосом 8 и отдается для охлаждения в вентиляционную градирню 9. Охлажденная в градирне вода подается в конденсатор самотеком за счет разряжения.

Верхне-Мутновская ГеоТЭС мощностью 12 МВт (3х4 МВт) явля-ется опытно-промышленной очередью Мутновской ГеоТЭС проектной мощностью 200 МВт, создаваемой для электроснабжения Петропав-ловск-Камчатского промышленного района.

Рисунок 6 -. Схема вакуумной ГеоТЭС с одним расширителем:

1 – скважина, 2 – бак-аккумулятор, 3 – расширитель, 4 – насос горячей воды, 5 – вакуумная турбина 750 кВт, 6 – генератор, 7 – смешивающий конденсатор,

8 – насос охлаждающей воды, 9 – вентиляторная градирня, 10 – вакуумный насос

На Паужетской ГеоТЭС (юг Камчатки) мощностью 11 МВт используется на па-ровых турбинах только отсепарированный геотермальный пар из паро-водяной смеси, получаемой из геотермальных скважин. Большое коли-чество геотермальной воды (около 80 общего расхода ПВС) с темпе-ратурой 120 °C сбрасывается в нерестовую реку Озерная, что приводит не только к потерям теплового потенциала геотермального теплоноси-теля, но и существенно ухудшает экологическое состояние реки.

Тепловые насосы

Тепловой насос — устройство для переноса тепловой энергии от источника низкопотенциальной тепловой энергии с низкой температурой к потребителю теплоносителя с более высокой температурой,. Термодинамически тепловой насос представляет собой обращённую холодильную машину. Если в холодильной машине основной целью является производство холода путём отбора теплоты из какого-либо объёма испарителем, а конденсатор осуществляет сброс теплоты в окружающую среду, то в тепловом насосе картина обратная (рисунок 7). Конденсатор является теплообменным аппаратом, выделяющим теплоту для потребителя, а испаритель -теплообменным аппаратом, утилизирующим низкопотенциальную теплоту, находящуюся в водоемах, грунтах, сточных водах и тому подобное. В зависимости от принципа работы тепловые насосы подразделяются на компрессионные и абсорбционные. Компрессионные тепловые насосы всегда приводятся в действие с помощью электромотора, в то время как абсорбционные тепловые насосы могут также использовать тепло в качестве источника энергии. Для компрессора нужен также источник низкопотенциального тепла.

В процессе работы компрессор потребляет электроэнергию. Соотношение вырабатываемой тепловой энергии и потребляемой электрической называется коэффициентом трансформации (или коэффициентом преобразования теплоты) и служит показателем эффективности теплового насоса. Эта величина зависит от разности уровня температур в испарителе и конденсаторе: чем больше разность, тем меньше эта величина.

По виду теплоносителя во входном и выходном контурах насосы делят на шесть типов: «грунт—вода», «вода—вода», «воздух—вода», «грунт—воздух», «вода—воздух», «воздух—воздух».

При использовании в качестве источника тепла энергии грунта трубопровод, в котором циркулирует жидкость, зарывают в землю на 30-50 см ниже уровня промерзания грунта в данном регионе (рисунок 8). Для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходим земляной контур длиной 350—450 м, для укладки которого потребуется участок земли площадью около 400 м² (20х20 м).

Рисунок 7 – Схема работы теплового насоса

Рисунок 8 - Использование в качестве источника тепла энергии грунта

К достоинствам тепловых насосов в первую очередь следует отнести экономичность: для передачи в систему отопления 1 кВт·ч тепловой энергии установке ТНУ необходимо затратить 0,2-0,35 кВт·ч электроэнергии.. Все системы функционируют с использованием замкнутых контуров и практически не требуют эксплуатационных затрат, кроме стоимости электроэнергии, необходимой для работы оборудования, которая может быть получена от ветровых и солнечных энергетических установок. Срок окупаемости тепловых насосов составляет 4-9 лет, при сроке службы по 15-20 лет до капитального ремонта.

Реальные значения эффективности современных тепловых насосов составляют порядка СОР =2.0 при температуре источника −20 °C, и порядка СОР = 4.0 при температуре источника +7 °C.